隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市和工業(yè)污泥的產(chǎn)量日益增加，污泥的處置越來(lái)越受到重視。是污泥污水處理的最終產(chǎn)物。未經(jīng)處理的污泥含水量高、體積龐大、成分復(fù)雜，處置不當(dāng)容易造成二次污泥。在眾多處置方法中，流化床焚燒技術(shù)以其燃燒充分、處理速度快、污染物排放低等明顯優(yōu)勢(shì)，在污泥處理行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。濕污泥直接燃燒會(huì)導(dǎo)致熱量損失增加，因此污泥干燥是污泥處置的重要步驟。流化床干燥具有脫水率高、污染小、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是污泥深度脫水的有效途徑。在污泥流化床干燥技術(shù)中，臨界流化速度μmf是其重要參數(shù)之一，對(duì)流化床的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有指導(dǎo)作用。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)預(yù)測(cè)材料的μmf做了大量的研究，得到了許多μmf的經(jīng)驗(yàn)公式。但由于材料性質(zhì)和試驗(yàn)條件的差異，所得經(jīng)驗(yàn)公式差異較大，至今沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)算μmf的公式。在污泥流態(tài)化的研究中，發(fā)現(xiàn)含水率是影響微米f的重要因素之一，但以往對(duì)μ m F的實(shí)驗(yàn)主要集中在玻璃球、石英砂和煤樣上，影響因素有床溫、粒徑和壓力。污泥含水率對(duì)微米f的影響研究較少，為此，本文研究了不同含水率污泥的流化特性，并介紹了μ m F經(jīng)驗(yàn)公式的推導(dǎo)過(guò)程。其他類(lèi)型的污泥可以參考這種方法，通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)就可以快速得到μmf的計(jì)算公式。

一、試驗(yàn)裝置和步驟

1.1測(cè)試條件和樣品

臨界流化速度μmf是流化態(tài)操作的較低速度。本文認(rèn)為，床料的物理性質(zhì)(密度、粒度分布、表面粘度等。)和流化氣體(密度、動(dòng)力粘度等。)直接影響μmf，溫度、壓力等外界因素通過(guò)影響床料和氣體的物性間接影響μmf。實(shí)際中，流化床干燥設(shè)備的操作壓力為常壓，操作溫度在100℃以下。由于實(shí)測(cè)溫度在100℃以下，污泥顆粒的密度和粘度隨溫度變化不大，Saxena對(duì)白云石(20 ~ 500℃)的研究也表明溫度對(duì)μmf影響不大，因此試驗(yàn)溫度為30℃，試驗(yàn)壓力為0.1MPa。

樣品是東莞某造紙廠的造紙污泥，主要由纖維素、造紙?zhí)盍?、化學(xué)助劑和水組成。造紙污泥經(jīng)過(guò)機(jī)械壓濾和破碎處理，初始含水率為48%，密度為1269kg/m3，呈顆粒狀。污泥的粒徑分布見(jiàn)表1，按質(zhì)量百分比法計(jì)算的污泥顆粒的質(zhì)量平均直徑dp為1.96mm

其中di是顆粒直徑，xi是質(zhì)量百分比。

接收的初始污泥顆粒在105℃的烘箱中干燥8h，得到完全干燥的污泥，通過(guò)前后質(zhì)量差計(jì)算初始污泥的含水量為48%。制備不同含水量的污泥時(shí)，先稱(chēng)一個(gè)空托盤(pán)，然后在托盤(pán)中放入適量含水量為48%的初始污泥，稱(chēng)其總質(zhì)量，計(jì)算該污泥干燥至目標(biāo)含水量時(shí)應(yīng)達(dá)到的目標(biāo)質(zhì)量。將污泥放入60℃的烘箱中烘干，取出后每隔10分鐘稱(chēng)重并攪拌均勻，直至達(dá)到目標(biāo)質(zhì)量，然后取出密封保存。使用相同的方法，獲得不同含水量的污泥樣品，不同含水量下的污泥密度參數(shù)列于表2。在烘箱中干燥的過(guò)程中，一些顆粒會(huì)破碎。為了防止粒徑分布的變化影響試驗(yàn)結(jié)果，干燥后的污泥將進(jìn)行篩分，按原粒徑分布重新混合后用于試驗(yàn)。

1.2測(cè)試設(shè)備

圖1是測(cè)試設(shè)備的示意圖。該裝置主要由流化床反應(yīng)器、差壓變送器、渦街流量計(jì)和離心鼓風(fēng)機(jī)組成。反應(yīng)器的主體是一個(gè)直的四棱柱流化室，流化室的一側(cè)裝有有機(jī)玻璃?？梢杂^察到流化室內(nèi)的流化，流化室的橫截面積為310mm×230mm，有效高度為60cm。流化室底部有布風(fēng)板、兩層18目篩網(wǎng)和壓力板。布風(fēng)板呈扁平多孔狀，交錯(cuò)排列，小孔的風(fēng)向與板垂直。反應(yīng)器上下分別為沉降室和風(fēng)室，其橫截面為上下兩個(gè)倒梯形，上寬下窄。沉降室上寬下窄的結(jié)構(gòu)，降低了氣體的表觀速度，有利于氣流攜帶的細(xì)顆粒落回到流化室內(nèi)，減少了細(xì)顆粒被氣流帶走引起的壓降變化。空氣室起著導(dǎo)流和穩(wěn)定流動(dòng)的作用，使氣流在進(jìn)入流化室時(shí)分布均勻。差壓變送器的一端設(shè)置在氣室中的配氣板附近，另一端與大氣相連。離心式鼓風(fēng)機(jī)配有高性能矢量變頻器。通過(guò)控制鼓風(fēng)機(jī)速度來(lái)控制引入氣室的一次空氣量。用LUGB–65渦街流量計(jì)測(cè)量空氣體積流量，然后計(jì)算流化室內(nèi)的表觀氣速。

1.3測(cè)試步驟

首先在空床狀態(tài)下測(cè)量布風(fēng)板的阻力。在空床狀態(tài)下，調(diào)節(jié)變頻器逐漸增加一次風(fēng)量，每次風(fēng)量下保持2分鐘。系統(tǒng)穩(wěn)定后，記錄配風(fēng)板相應(yīng)的壓降，直到增加到更大的風(fēng)量。其次，稱(chēng)取10kg污泥顆粒床料，均勻加入流化室，關(guān)閉進(jìn)料口，檢查反應(yīng)器氣密性是否良好。再次打開(kāi)變頻器，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，將風(fēng)量調(diào)至較大，通過(guò)有機(jī)玻璃觀察流化室內(nèi)物料的流化狀態(tài)，確認(rèn)床內(nèi)物料完全流化，保持5min等待系統(tǒng)穩(wěn)定。然后，調(diào)節(jié)變頻器逐漸降低一次風(fēng)量，每次風(fēng)量保持2分鐘。系統(tǒng)穩(wěn)定后，記錄相應(yīng)的差壓變送器和渦街流量計(jì)的讀數(shù)，直至風(fēng)量為零(變頻器可在50Hz的較大頻率下調(diào)節(jié)，每次以2Hz的速率調(diào)節(jié)，共25組數(shù)據(jù))。隨后，當(dāng)流化結(jié)束，床層高度比流化前稍高時(shí)，記錄此時(shí)的床層高度，以計(jì)算床層的空隙率。打開(kāi)出料口，清空物料，更換不同含水率的污泥，重復(fù)上述步驟。

二、測(cè)試結(jié)果及分析

2.1空氣分布板的阻力特性

測(cè)量了不同一次風(fēng)量下的布風(fēng)板壓降。風(fēng)速u(mài)計(jì)算如下:

其中:Qg為一次風(fēng)量，Ac為床的橫截面積(按0.0713m2計(jì)算)，

圖2顯示了空氣分布板的壓降曲線(xiàn)。擬合得到了布風(fēng)板壓降△Pc與表觀風(fēng)速U的函數(shù)關(guān)系

2.2臨界流化速度的確定

從固定床階段到流化階段，需要克服顆粒之間的作用力。由于系統(tǒng)的滯后效應(yīng)，用升速法得到的壓降曲線(xiàn)是任意的，所以通常用降速法測(cè)量顆粒較小的流化速度。本次實(shí)驗(yàn)采用減速法，即增加一次風(fēng)量，直至床層完全流化，然后逐一減少風(fēng)量，記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)。該實(shí)驗(yàn)可以測(cè)量不同表觀風(fēng)速U下污泥顆粒的床層與布風(fēng)板之間的壓降之和，減去相應(yīng)風(fēng)速下空床布風(fēng)板的壓降△Pc，從而得到床層壓降△P隨表觀風(fēng)速U的變化規(guī)律。固定床階段壓降曲線(xiàn)與流化階段壓降曲線(xiàn)的切線(xiàn)交點(diǎn)定義為臨界流化點(diǎn)。圖3顯示了污泥含水量為0%時(shí)的風(fēng)速-壓降曲線(xiàn)。圖中A點(diǎn)為臨界流化點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的表觀風(fēng)速為臨界流化速度μmf。

2.3含水率對(duì)污泥流化的影響

圖4是污泥含水率分別為15%和35%時(shí)的流化過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)圖。圖5顯示了九種不同含水量的污泥流化的風(fēng)速-壓降曲線(xiàn)。

結(jié)合圖4和圖5，從分析中可以看出，隨著污泥含水率的增加，μmf呈上升趨勢(shì)，流化狀態(tài)由本體流化過(guò)渡到聚態(tài)流化。一方面，污泥顆粒的密度隨著含水率的增加而增加，μmf與顆粒密度呈正相關(guān)，所以μmf隨著含水率的增加而增加。另一方面，在烘箱中的干燥過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中使用的造紙污泥含有許多絮狀纖維。隨著含水量的增加，污泥的質(zhì)地變得柔軟，更多的水吸附在顆粒表面，使顆粒的粘度和團(tuán)聚能力明顯增強(qiáng)。這使得污泥流化時(shí)顆粒之間以及顆粒與反應(yīng)器壁之間的相互作用力增大，流化阻力增大，從而使μmf增大。從圖5中還可以看出，污泥的流化穩(wěn)定性隨著含水率的增加而降低。圖5中的流化曲線(xiàn)表明，低含水率污泥顆粒的流化狀態(tài)是穩(wěn)定的，得到的流化曲線(xiàn)是穩(wěn)定的，在固定床階段向流化階段過(guò)渡的過(guò)程中有一個(gè)平滑的拐點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)觀察表明，高含水率污泥顆粒的流化狀態(tài)逐漸變差，得到的流化曲線(xiàn)波動(dòng)較大。固定床階段向流化階段過(guò)渡的拐點(diǎn)不易確定，但實(shí)驗(yàn)觀察表明流化室有團(tuán)聚現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在此粒徑分布下，造紙污泥的流化含水率約為38%。當(dāng)含水率高于38%時(shí)，流化極不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)穿孔和溝流。

2.4臨界流化速度的經(jīng)驗(yàn)公式

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)μmf做了大量的研究，得到了許多μmf的經(jīng)驗(yàn)公式。表3列出了一些學(xué)者得出的經(jīng)驗(yàn)公式及其適用條件。

在表3中，Ar是阿基米德數(shù)，Remf是臨界流化時(shí)的雷諾數(shù)。

圖6是本文中μmf的實(shí)驗(yàn)值與這些經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值的比較，其中序號(hào)1~7對(duì)應(yīng)表3中經(jīng)驗(yàn)公式的序號(hào)，紅色粗實(shí)線(xiàn)表示μmf隨含水量的變化趨勢(shì)。分析認(rèn)為，由于物料流化特性的差異，直接使用這些經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算實(shí)驗(yàn)所用污泥的μmf會(huì)導(dǎo)致較大偏差，因此需要選擇合適的方法重新擬合經(jīng)驗(yàn)公式。

雖然計(jì)算μmf的經(jīng)驗(yàn)公式很多，但根據(jù)公式的推導(dǎo)過(guò)程，基本上可以分為以下兩類(lèi)。

2.4.1第一類(lèi)經(jīng)驗(yàn)公式

這類(lèi)公式以文等的經(jīng)驗(yàn)公式為代表，由床層壓降和表觀風(fēng)速的額爾古納方程推導(dǎo)而來(lái)。龔方程假定床層壓降近似等于臨界流化狀態(tài)下氣體對(duì)固體顆粒的拖曳力，忽略氣體、床料和床壁之間的摩擦力和內(nèi)力。

在固定床階段，床層壓降與表觀風(fēng)速之間的關(guān)系可以用額爾古納方程精確地表達(dá)如下

其中:L為床層高度，ε為床層空隙率，U為氣體速度，即表觀風(fēng)速，φ為顆粒球度，ρ為氣體密度，μ為氣體動(dòng)力粘度。

在臨界流化狀態(tài)下，床層壓降等于每單位面積的床重，即

其中:ρp為物料的顆粒密度，下標(biāo)mf表示臨界流化狀態(tài)。

將方程(3)和方程(4)合并，引入判據(jù)數(shù)。

簡(jiǎn)化并整理出來(lái)

將方程(5)視為Remf的二次方程，其正根為

εmf和φ的確定方法參考顏衛(wèi)平的說(shuō)法:臨界流化狀態(tài)下εmf的床層空隙率略大于固定床。實(shí)際上是相當(dāng)松散的幾乎沒(méi)有重量的填充床狀態(tài)，可以通過(guò)隨機(jī)填充試驗(yàn)來(lái)測(cè)量。MF取流化結(jié)束時(shí)的床空隙率為

考慮到如果εmf在各含水率中取不同的值，φ的值將難以確定，且測(cè)得不同含水率時(shí)εmf變化不大，故εmf的算術(shù)平均值為0.414。將不同含水率污泥的物性參數(shù)、μmf的實(shí)驗(yàn)值和εmf的算術(shù)平均值代入式(6)，用試湊法得到φ的近似值。與后代比較，得到C1=16.09，C2=0.0445，進(jìn)而得到μmf的經(jīng)驗(yàn)公式。

由于含水率低的污泥顆粒比含水率高的污泥顆粒流化更穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)偏差小，所以通過(guò)擬合幾組含水率低的數(shù)據(jù)得到經(jīng)驗(yàn)公式。

微米的實(shí)驗(yàn)值和公式(8)的計(jì)算值之間的比較如圖7所示。顯然，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相差很大。分析是由于在應(yīng)用額爾古納方程時(shí)假設(shè)床層壓降等于氣體對(duì)固體顆粒的拖曳力，而忽略了床顆粒間的內(nèi)力。當(dāng)測(cè)試樣品為玻璃珠、石英砂等不粘材料時(shí)，計(jì)算更準(zhǔn)確。造紙污泥含水量低時(shí)，粘度小，與上式偏差小。但隨著含水率的增加，污泥粘度增加，部分顆粒發(fā)生團(tuán)聚，物料間的內(nèi)力大到可以忽略。所以實(shí)驗(yàn)值大于計(jì)算值，含水率越高偏差越大。

2.4.2第二類(lèi)經(jīng)驗(yàn)公式

這種公式是從單個(gè)質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)力分析中推導(dǎo)出來(lái)的。

當(dāng)臨界流化現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，單個(gè)顆?；蝾w粒團(tuán)主要受床中三種力的影響，即顆粒本身的重力Fg、氣體的浮力Ff和流化氣體的曳力Fy，這三種力相互平衡，即

公式應(yīng)用于多粒子系統(tǒng)時(shí)會(huì)有偏差。為了消除這種偏差，公式(10)被編譯成

這種公式是前蘇聯(lián)學(xué)者費(fèi)多羅夫較早提出的。此后，學(xué)者們根據(jù)不同情況，得出了多組A、B值。我國(guó)《分層燃燒和流態(tài)化燃燒工業(yè)鍋爐熱力計(jì)算方法》中推薦的公式就屬于這種。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合得到經(jīng)驗(yàn)公式。

μmf測(cè)試值和公式(12)計(jì)算值之間的比較如圖8所示?？梢钥闯?，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值偏差較小，離散度在5%以?xún)?nèi)。因此，公式(12)可用于該造紙污泥的μmf計(jì)算。

需要注意的是，城市污泥和工業(yè)污泥種類(lèi)繁多，流化特性差異很大。如果其他類(lèi)型的污泥直接套用公式(12)，可能會(huì)造成一定的偏差，甚至在不同的粒徑分布下，這種造紙污泥的μmf也可能不同。雖然這個(gè)公式應(yīng)用不廣泛，但其他類(lèi)型的污泥可以參考公式(11)。通過(guò)幾組流態(tài)化試驗(yàn)確定A和B，可以得到一個(gè)實(shí)用的μmf計(jì)算公式。

第三，結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以空氣為流化氣體，在0.1MPa的常壓和30℃的常溫下，測(cè)定了含水率為0% ~ 38%的造紙污泥的臨界流化速度μ f。此外，在將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比分析后，采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄖ匦聰M合了μmf的經(jīng)驗(yàn)公式，并得出以下結(jié)論:

A.在實(shí)驗(yàn)粒徑分布下，造紙污泥在低含水率下呈散裝流態(tài)化，隨著含水率的增加逐漸過(guò)渡到團(tuán)聚流態(tài)化。當(dāng)含水率高于38%時(shí)，難以流化，此時(shí)容易發(fā)生穿孔和溝流。

B.污泥顆粒的μmf隨著含水率的增加而增加。

C.這種造紙污泥的μmf可以用公式Remf=0.00125Ar0.91計(jì)算，誤差在5%以?xún)?nèi)。

D.在兩個(gè)主流的經(jīng)驗(yàn)公式中，像Remf=aArb這樣的經(jīng)驗(yàn)公式在計(jì)算污泥的μmf時(shí)誤差較小。(來(lái)源:上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院)

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